CN108884807B - 用于将波浪能转化成电能的设备以及用于将其布设在开采位置处的方法 - Google Patents

Abstract

用于将波浪能转化成电能的设备以及用于在开采位置处布置该设备的方法，其中所述设备包括支撑构造(50)，所述支撑构造(50)包括浮力元件(52)并且具有附接在上侧上的支撑管(51)。所述设备包括在内圆周上以滑动方式与支撑管(51)的外表面连接的接合装置(30)以及浮体(20)枢转地连接到的球体(32)。所述设备具有两个传动装置，第一柔性传动装置(1)用于将浮体(20)连接到第二传动装置，并且第二传动装置用于将柔性传动装置(1)连接到发电机。柔性传动装置(1)包括滑轮(6a，6b，6c)和柔性元件(例如绳索或钢缆)，并且第二传动装置可以布置成若干合适的形式，例如作为定位在下支撑管(53)内的一组齿轮(4)和齿条(2)的刚性元件，或者例如设置在浮力元件(52)中的链条(3)和链轮(5)的柔性元件。支撑构造(50)通过绳索(63)连接到锚定重物(67)，该锚定重物(67)被制成直接地或通过滚动元件放置在锚定基部(61)的球形凹部中的球形部段的形式。本发明包括用于在开采位置处的设备布设的方法，由于具有低吃水的稳定运输，该方法特别合适。

Description

用于将波浪能转化成电能的设备以及用于将其布设在开采位 置处的方法

技术领域

本发明涉及用于将波浪能转化成电能的设备及以及用于将其布设在开采位置处的方法，且该设备的特征适于该布设方法。该设备相对于先前的解决方案，在从上下运动的浮体到产生电的发电机的能量转换领域中尤其不同。该布设方法是基于：适合于廉价运输到锚定位置的系统的构造，以及在海床处在用于将波浪能转化成电能的设备的布设位置处的锚定系统的适配，以及具有防止意外损坏的安全系统。根据IPC（国际专利分类），该设备被分类为使用海浪能量的动力机械并且对应分类号F03B 13/12。

背景技术

技术问题

由本发明解决的技术问题是用于将波浪能转化成电能的设备的构造方法，该设备具有最大效率（即利用程度）、与工作条件有关的耐久性，同时该设备由可接受的材料和可接受数量的子组件制成以满足经济要求，即是有成本效益的。

这些问题在现有技术中是众所周知的。很难找到有成本效益的解决方案。用于将波浪能转化成电能的设备的可持续解决方案需要设备的最大效率并且同时需要最小数量的材料和最小数量的组件，使得系统可靠、操作安全且便宜。如现有技术中已知的，作用在上下运动的浮体上的波浪力可以是非常大的，需要在力从浮体到例如发电机的传递中涉及的元件形成坚固的支撑构造和坚固的链条。用于将波浪能转化成电能的设备的另一个有助于最大利用程度的重要特征是本领域技术人员已知的对与设备的支撑构造相连接的浮体运动的最小限制。考虑到对浮体的运动性的要求，似乎与构造必须足够坚固以承受用于产生能量的高波浪力并且同时足够坚固以承受公海上的条件的必要性相矛盾。

本发明还解决了将设备布设到开采位置的问题。

现有技术

存在许多基于可再生能源的已知解决方案。如果从地球上明显的气候变化的角度观察，似乎有必要尽快避免使用向环境排放有害气体的发电厂。来自与本申请相同的发明人的欧洲专利EP 2183478示出了一种设备，该设备解决了与从波浪到上下运动的浮体的能量转换有关的一些基本问题。如EP 2183478中所描述的，从波浪获取的可以进一步转化成电能的能量的量被最大化，但是该设备必须相对于其它已知的用于能量转换的设备有竞争力，并且能够在气候变化升级之前替代向大气排放大量有害气体的用于发电的设备。

相对于上述现有技术，本发明尤其由于以下特征而不同：固定到海床的柱子不是必需的，它们由锚定代替，并且通过两个传动装置的组合还获得了更紧凑和更可靠的具有更好实用性的设备。通过包括浮体和支撑构造的接合连杆的构造方案实现了紧凑且可靠的构造。通过使用第一柔性传动装置和第二传动装置的组合，用于机械运动的转换的机构得以简化和价格降低，所述第二传动装置被生产为由刚性元件制成的传动装置或由柔性元件制成的传动装置。该机构不会负载到屈曲，并且也可以仅使用柔性传动装置从而显著减少长柔性传动装置中存在的不利振荡。通过对运动质量的精确计算，系统可以容易地进入谐振区，由此增加浮体的振荡，导致获得更大量的电能。无论浮体是否上下运动，这都提供相等量的能量产生。减少了转换元件的质量并且提供了对由于巨大的波浪破坏而导致的意外损坏的保护。

该设备的构造得以改进、更容易、更便宜和简化，由此提高了系统的效率和有效性。

发明内容

根据本发明的用于波浪能转化的设备包括由浮力元件构成的支撑构造，所述浮力元件具有附接到其上侧的支撑管。该设备包括接合装置，该接合装置在内圆周上具有与上支撑管的外表面的滑动连接，同时存在固定到接合装置的外表面的球体，该球体枢转地附接到浮体。该设备具有两个传动装置，第一柔性传动装置用于将浮体连接到第二传动装置并且该第二传动装置用于将柔性传动装置连接到发电机。柔性传动装置可以是单体式的或由几种类型的柔性传动装置构成，例如合成绳索、线缆或链条，而第二传动装置可以通过几种方便的方式布置为刚性传动装置，例如，一组小齿轮和齿条、顶推螺杆和螺母等，或者布置为柔性传动装置，例如链条和链轮。为了将浮体的运动传递到除柔性传动装置或刚性传动装置之外的发电机，该设备包括确保所应用的传动装置的适当功能的支撑元件。在第二传动装置由刚性元件制成的情况下，该第二传动装置放置在下支撑管中。当第二传动装置是柔性传动装置（例如链条和链轮）时，该第二传动装置可以放置在浮力元件中（即支撑构造中），从而在没有锚定元件的情况下显著减小了设备的深度。支撑构造通过锚定绳索连接到锚定重物，该锚定重物被构造成直接地或通过滚动元件放置在锚定基部的球形凹部中的球形部段的形式，或者呈由支撑基部支撑的重物的形式。

本发明包括具有浮力元件的支撑构造，该支撑构造延伸穿过浮体的中心开口，该浮体以这样的方式连接：其由于波浪的作用可以沿着支撑构造的纵向方向上下运动，其中浮体的运动被传递到将波浪的运动转化成电能的机构，并且运动的传递通过放置在浮体的中心开口内的可运动的接合装置获得，该可运动的接合传动装置由滑动接头构成，该滑动接头在中心部分内以球形表面的形状构造，其具有环抵靠该球形表面并且环通过其外径与浮体中的中心开口的构型相对应，虽然在球形表面的内径上存在几何上且尺寸上与滑动接头的以球形表面形式构造的中心部分相对应的呈球形表面形状的部段，但是浮体与接合传动装置之间的连接通过将浮体固定在两个环之间实现。

可以避免球形接头，并且然后将浮体固定到滑动管，通过该滑动管，浮体具有可相对于支撑管竖直运动的可能性。

用于运动传递的系统由第一柔性传动装置和第二传动装置组成，所述第一柔性传动装置和第二传动装置可以通过几种不同的形式制成，并且处于浮体的平移振荡运动转变为发电机的旋转运动的转换中的附加质量块确保第二传动装置总是在张紧时发生应变。

根据本发明的一个实施方式，在接合装置的球形表面上存在两个环，其限制在波浪作用所导致的接合装置的运动期间接合装置相对于支撑构造的纵向轴线的相对运动，其中运动限制与围绕水平平面中的两个相互垂直的轴线的相对转动有关。

本发明可以通过这样的方式构造，即该设备可以在电网中使用，由本发明产生的电力可以分配给最终用户，或者其可以用于电网的分配系统中或其可以用于国际配电网络，

根据本发明的一个实施方式，示出了一种系统，该系统包括防止由于极高的波浪的作用所引起的意外损坏的安全系统。

根据一个实施方式，本发明包括制动系统。

本发明还包括在开采位置布设设备的方法。除了现有技术中已知的将不被描述的阶段之外，该方法还包括相对于现有技术新的阶段，并且该方法的实现通过设备的新构造来实现。以下是这些阶段：将浮力元件以及附加质量块组装到支撑构造中，通过起重机将支撑构造降入水中并将该支撑构造固定到船坞码头；将其它元件连接到支撑构造直到支撑构造的完成；运输到布设位置，在该布设位置处通过附加质量块实现稳定性；运输锚定重物与锚定基部，使得锚定基部漂浮并且充当用于将锚定基部运输到设备布设位置的浮箱；固定桩体或构建用于锚定基部的混凝土基部；通过打开阀并用水填充锚定基部来浸没锚定基部；连接锚定重物与支撑构造。设备的深度调节，即调节设备与海底的距离。

当浮体的运动通过柔性传动装置（不使用刚性传动装置）传递到发电机时，发电机和附加质量块之间的传动装置的柔性元件实施为差动柔性传动装置元件，因此上面提到的输送阶段在小尺寸输送时发生。

由下面的附图描述的本发明的示例不意味着限制本发明的构造。

附图说明

下面将参照附图更详细地描述根据本发明的用于将波浪能转化成电能的设备。附图也被附上并且它们用于更好地理解根据本发明的方法，即，通过所描述的组件和设备运输阶段实现的设备的构造特性。附图示出了本发明的各实施方式的示例并且不应被解释为限制本发明的保护范围内的其它可能的实施方式。根据本发明的各技术特征可以在结构的各实施方式的其它示例中相互组合。附图示出如下。

图1以等距视图示出了本发明的实施方式的一个示例。

图2以正视图示意性示出了本发明的实施方式的一个示例。

图3以正视图示意性示出了本发明的实施方式的一个示例。

图4以正视图示意性示出了本发明的实施方式的一个示例。

图5以正视图示意性示出了本发明的实施方式的一个示例。

图6a示出了空载设备和波浪的竖直振荡的传递函数的曲线图。

图6b示出了负载设备和波浪的竖直振荡的传递函数的曲线图。

图6c示出了谐振场中的负载设备和波浪的竖直振荡的传递函数。

图7以等距视图示出了本发明的实施方式的一个示例。

图8以等距视图示出了本发明的实施方式的一个示例。

图8a以等距视图示出了本发明的实施方式的一个示例。

图8b以等距视图示出了本发明的实施方式的一个示例。

图9和图9a示出了图8b的细节A。

图10以横截面示出了根据本发明的浮体的实施方式的一个示例。

图11示出了在冲击应力的减值（吸收）下系统响应的模拟的力学模型。

图12示出了施加到具有和不具有泡沫涂层的球体表面的力的曲线图。

图13以等距视图示出了从船坞到布设位置的设备运输的模式。

图14示意性示出了用于锚定重物的锚定基部的一个实施方式。

图15以等距视图示出了本发明的实施方式的一个示例，其中锚定重物由两部分形成，即由重物和锚定基部形成。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的用于将波浪能转化成电能的设备。如图所示，根据该实施方式，所述设备由子组件组成。本发明的本实施方式由包括浮力元件52的部分浸没的支撑构造50组成，浮力元件52可以采用星形、圆柱形或任何其它合适形式的封闭构造的形式，支撑构造50在上侧具有牢固附接的支撑管51，并且在一些实施方式中，支撑管53在下侧。接合装置30在其内圆周处附接到支撑管51，而在外圆周处经由球形接头连接到浮体20，以便提供浮体20相对于支撑构造50的可移动连接。浮体20的竖直运动将波浪的作用经由柔性传动装置1传递到发电机，所述柔性传动装置1两端附接到浮体20并且在其中心部分连接到位于支撑构造50或支撑管53内部的第二传动装置，所述发电机也可以定位在支撑构造50内或者在支撑构造50的水面外部分上或在支撑管53中。使用上述术语柔性传动装置1是因为该传动装置具有在匹配的旋转支撑元件（例如滑轮6a、6b、6c）上通过的柔性弹性元件（例如绳索、钢缆及类似物）并且还因为该传动装置根据浮体20的运动而进行调节。

支撑构造50通过绳索63锚定，绳索63在一端处连接到支撑构造50而另一端牢固地附接到锚定重物67。锚定重物67可以通过不同方式构造，例如作为三个分离的重物。在示出的实施方式中，锚定重物67被制成三角形板形式的一个部段。图14和图15示出了定位在锚定基部61中的锚定重物67的另一个实施方式。在该实施方式中，锚定重物67呈球形部段的形式并且位于具有适当形状的锚定基部61中（参见图15）。

支撑构造50以其具有与锚定绳索63相反的正浮力（即倾向于上升到水面）的方式构造，由此确保支撑构造50的稳定位置。

图1示出了圆柱形形状的浮体20。本领域技术人员公知的是，浮体20的这种形状在浮体20的所有侧处具有均匀的流体动力学压力，并且因此不需要允许浮体20围绕其轴线旋转。先前还描述的柔性传动装置1的附接系统的目的在于，在竖直负载以柔性传动装置1直接附接到浮体20的方式传递的情况下，接合装置30松开。

接合装置30以这种方式制成，即其包含允许浮体20围绕所有轴线旋转并且沿着支撑管51平移地运动的球体。接合装置30可通过减小摩擦力并且允许接合装置30跨越支撑管51平滑地移动的元件与轴承管51接触，这些元件是轮、轴承及类似物。

图2示出了用于将波浪能转化成电能的设备的一个实施方式，其中通过第二传动装置（在该实施方式中是由刚性元件组成的传动装置）和第一柔性传动装置1的组合实现了系统的期望刚度。柔性传动装置1通过其两端连接到浮体20，松开接合装置30，在这种情况下，接合装置30不传递浮体20的竖直运动的大力，但是这由直接附接到浮体20的柔性传动装置1实现。本领域技术人员已知柔性元件具有它们自己的刚性，即，在接受全部负载之前它们弹性地变形，这种传动装置的弹性变形应在其尺寸中予以考虑。

由于钢缆对断裂敏感并且大部分弯曲发生在滑轮6a上，因此链条可安装在该部分中以在柔性传动装置1的在滑轮6a上发生大量断裂的区域中操作，并且然后所述方法可通过钢绳或柔性传动装置的其它实施方式进行。

柔性传动装置1（例如钢缆、由复合材料制成的绳或其组合）在滑轮6b、6a、6c上通过。滑轮6a枢转地附接到第二传动装置的一个元件，在这种情况下该第二传动装置为刚性传动装置，在该实施方式的示例中滑轮6a附接到与齿轮4联接的齿条2，齿轮4经由旋转运动的倍增器的齿轮进一步枢转地附接到发电机。在第二传动装置（在这种情况下为刚性传动装置）的另一端，附加质量块12被牢固地固定并且在轴承管53内被引导。滑轮6b和6c放置在支撑管51的在水面外的端部处并且通过滑轮6a、6c的支撑件牢固地联接到支撑管51，由此滑轮6b、6c在柔性传动装置1运动时围绕其轴线自身旋转。

在操作期间，当浮体20在波浪的影响下开始向上运动时，第一柔性传动装置1保持张紧，因为附加质量块12拉动它并且因为它经由第二传动装置连接到附加质量块12，并且齿条2连接到第二传动装置，齿条2通过相应的齿轮4和倍增器将旋转运动传递到产生电力的发电机。附加质量块12和柔性传动装置1的引入提供了当浮体20向上和向下运动时发电机旋转。与所获得的在刚性传动装置或柔性传动装置1上的用于浮体20的两个运动方向的先前解决方案相比，这是更优雅和更有效的构造，该构造提供更大量电力的产生、浮体20的更大行程以及浮体20的运动到发电机的更便宜的传递模式。在先前的解决方案中，刚性传动装置被加载到屈曲，这需要更大、更重、更昂贵和更复杂的构造。

当向下运动时，浮体20使柔性传动装置1张紧并且通过滑轮6b和6c使柔性传动装置1张紧，使得浮体20通过滑轮6a提升齿条2且一起提升附加质量块12，并且再次获得齿轮4的旋转，并且由发电机产生电能。

柔性传动装置1和第二刚性传动装置的这种组合与附加质量块12一起获得对刚性传动装置的拉伸的恒定负载，由此避免不期望的刚性传动装置屈曲的发生。另一方面，柔性传动装置1具有由于不规则波浪而发生的冲击负载分摊的可能性。

由于第二传动装置（在这种情况下为刚性传动装置）总是被加载到拉伸，因此存在其被具有弹性元件（即柔性元件，例如具有相应链轮的链条，或其它柔性元件（带），以及用于圆形运动实现的相应元件）的传动装置代替的可能性。下面将描述这种实施方式的示例，使得将第一柔性传动装置1与发电机连接的传动组件的总体名称是第二传动组件。

如果省略了球形接头，则获得更简单的构造，但是管51更多地负载并且获得更低程度的效率。通过省略球形接头来简化构造使得能够省略滑轮6a，并且由于滑动管和支撑管51之间的间隙，用于平衡两个缆线中的力的摇杆必须放置在滑轮的适当位置。

图3示出了用于将波浪能转化成电力的设备的下一个实施方式。在该实施方式中，由运动磁体8和固定线圈10构成的线性发电机用作第二传动装置。当浮体20运动时，运动通过柔性传动装置1和滑轮6a、6b与6c传递到刚性传动装置，该刚性传动装置具有线性发电机的磁体8作为其主要部分。根据本发明的设备的该实施方式的区别在于具有大质量作为主导特征的磁体8现在被用作额外的质量块，因此，现在附加质量块12可以减少或完全省略。

这是最简单的解决方案，其可以在磁体8和线圈10之间提供最小恒定间隙，从而提高效率，并且通过对质量块的适当选择，增加振荡的幅度。该解决方案的维持最便宜并且应用经改进且更复杂的线性发电机来提供优异的技术和经济效应。

该解决方案通过线圈10和磁体8位于受保护区域内的事实与具有线性发电机的所有先前解决方案相比突出，使得运动部件（即发电机的磁体8）的引导可以通过最容易且最安全的方式提供，以确保磁体8和线圈10之间的最小间隙与水渗透的最小风险，这是现有技术中的所有先前专利解决方案中的缺陷。该解决方案还允许高功率线性发电机的构造。

图4示出了用于将波浪能转化成电力的设备的一个实施方式。在该实施方式中，使用顶推螺杆9和带有滚珠循环的螺母7，平移运动通过该螺母被转化成旋转运动，并且在有或没有倍增器的情况下被进一步直接带到发电机。

在顶推螺杆9的端部处包括附加质量块12提供了在顶推螺杆9的竖直运动的两个方向上相同的效率，并且提供了顶推螺杆9可以具有更小的横截面。出于这些原因，顶推螺杆9更轻并且更便宜，这是因为其没有负载到屈曲。

顶推螺杆9的角度的选择可以确定带有滚珠循环的螺母7的期望转速，使得螺母7可以直接连接到发电机或者螺母7可以是这样的构造，即发电机的转子直接定位在螺母7上。该解决方案简化了构造并且降低了传递系统中的损耗，提高了效率并且降低了维护成本。

图5示出了用于将波浪能转化成电力的设备的另一个实施方式。在该实施方式中，链条3和链轮5用作第二传动装置，平移运动通过该第二传动装置转化成旋转运动并且被进一步直接引导至发电机。发电机的转速的调节也可以通过平行齿轮形成的系统实现。代替链条3，可应用用于将线性运动转化成旋转运动的具有所属元件（例如带滑轮）的任何其它柔性传递元件（例如带）。

图5中示出的实施方式的另一个重要特征是差动链轮的应用使得下支撑管53不是必需的（管53在先前的图1、图2、图3、图4、图5中示出）。这通过应用差动传动装置来实现，该差动传动装置提供附加质量块12的减小并且因此提供其速度的减小，而附加质量块12与附加质量块12的减小成比例地增加。

在图2、图3、图4和图5中示出的根据本发明的设备的该实施方式的一个更重要的特征是附加质量块12的尺寸和浮体20的质量的组合可以调整振荡机械系统的固有频率，使该固有频率更接近于在风暴波浪中摇摆的谐振条件。

即，用于转化波浪能的点型设备的一个已知缺陷是，通常它们具有远高于对于能量转化重要的主导（模态）风暴波浪的频率的固有振荡频率。这就是为什么这些设备较远地在振荡的次临界区域中工作，显著降低了它们的有效性。

图6a示出了没有发电机的浮体20或浮标的振荡的典型示例。鉴于竖直振荡的传递函数-浮体20的下潜（潜水幅度与波浪幅度的比率）P_ζ（由虚线示出）以及波浪频谱S_w（由点划线示出）是波浪频率ω的函数。振荡的谐振间距（极值、最大值、上升）远离波浪频谱峰值的右侧，并且风暴中的振荡幅度约等于波浪的幅度。

图6b中示出了当发电机产生电时联接的浮体20的频谱的典型示例，其中点划线标记波浪频谱，并且线标记当设备产生电时浮体20的潜水频谱。由于发电机的强阻尼，振荡的谐振间距不再发生，但是振荡幅度和波浪幅度的比率仍然接近值1。

利用具有附加质量块12的设备，执行振荡的系统的质量显著增加，并且系统的固有频率降低。原则上，可以调节附加质量块12和浮体20的质量，使得系统与风暴的模态波浪谐振而无需改变浮体20的尺寸（直径和吃水）。在图6c中示出了当设备产生电时浮体20的情况的这种示例，其中波浪频谱由点划线标记并且浮标频谱由线标记。具有这种较重附加质量块12的设备的振荡的传递函数具有谐振间距，尽管发电机产生了强阻尼。谐振间距实际上与波浪频谱的峰值重叠，导致（如计算示出）比没有附加质量块12的情况至多高两倍的功效。附加质量块12的应用以及质量的任何增加降低了振荡系统的固有频率并且有益于设备的效率。

通过附加质量块12的引入，获得了其调节浮体20的吃水（浮体20浸没在水中的高度），即，附加质量块12将浮体20拉出水面外。浮体20具有负浮力，因此如果浮标不具有被附加质量块12拉动的部分，则浮标会下沉。

将波浪能转化成电力的设备的这种构造就可以传递到齿轮组4和齿条2的冲击载荷而言提供了良好的特征。另一方面，由于柔性传动装置1的大长度所造成的损失被最大地减小，随着浮体20的运动方向的每次改变，柔性传动装置1必须经受一定的弹性变形，并且然后开始传递动力，由此上述弹性变形与柔性传动装置1的长度直接相关。随着柔性传动装置1的长度的减小，避免了在长柔性传动装置中发生的不利振动的发生，从而增加了将波浪能转化成电力的设备的利用水平。

柔性传动装置1的通过线圈6a（图2）的一个部段可由复合材料或链条制成，以便作为浮体20的振荡运动的结果而使部段的连续部由于交替弯曲而延伸。

图7示出了浮体20的制动系统，其包括由例如钢或链条或Dynemme （高密度聚乙烯）制成的柔性绳索71，柔性绳索71在一端处连接到浮体20的底部，并且在另一端处连接到浮力元件52。

当大幅度波浪接近时，浮体20向上运动并使柔性绳索71张紧。在柔性绳索71张紧并且浮体20保持向上运动之后，浮体20开始努力提升整个支撑构造50和锚定重物67 。

为了获得更便宜的构造和避免响应于极端波浪而损坏系统，引入了安全系统。在允许的浮体运动的最大值处进行跟踪的用于浮体20的电子设备将设备置于安全模式中。

安全模式激活安全系统，诸如浮体20的用于确保浮体不会撞击支撑结构上部的安全绳索、固定浮体并且防止浮体撞击支撑结构底部的安全轴承、以及最重要的安全措施，即浮标的自浸没。

在波浪幅度比WEC设备（波浪能转化器）的预测工作行程高的极端风暴中，当浮体20向上运动时，停止浮体20防止支撑结构50以图7中描述的方式损坏。

此外，当大幅度的波浪出现时，存在浮体20撞击支撑结构50的浮力元件52的更靠近水的自由表面的部分的风险。

如图8所示，解决了该问题：壳体80被设置在支撑结构50上，即在浮力元件52上。

当浮体20向下（朝向底部）运动时，其制动和停止通过流体动力阻力而发生，当浮体20向下运动时，其进入相对于浮体20具有较小间隙的壳体80，通过该间隙，位于壳体80内的水倾向于离开，即，浮体20由于较小的间隙而使水移位，大的流体动力阻力出现并制动浮体20。壳体80的尺寸以使得浮体20以及支撑结构50不遭受任何损坏的方式设计。

图8a示出了当浮体20以任意角度接近壳体80时的情况。在WEC设备的该实施方式中，浮体20的边缘必须被加强，以便在浮体20与壳体80的底部接触期间减小阻力，在浮体20与壳体80之间的接触实现之后，浮体20开始围绕球形接头30的中心旋转，使得浮体20被带入与壳体80的底部平行的位置，由此确保在浮力元件52处的通过壳体80传递的力的相等分布。

图8b已经显示了当水由于极端波浪的形成而使浮体20与壳体80接触时的情况，图8b的细节A在图9中示出。

壳体80具有另一个非常重要的特征，其设计成确保滞留在浮体20的腔室中的水的保持，其功能在同一发明人的欧洲专利EP 2,183,478中详细描述。

通过将壳体80构造成具有沿着圆周的边缘（图9）使得壳体80类似于烤盘，实现了确保浮体20的腔室内部的水保持。当水退回并且浮体20停止时，壳体80的边缘与浮体20之间的少量水防止水从浮体20的腔室泄漏，这对于WEC设备的适当且高效的操作是必要的。

图9和图9a示出了图8的在紧接着大波浪已经接近之后的时刻的细节A，水退回并且离开壳体80中的浮体20，在下一时刻，新的波浪接近以努力提升浮体20，并且为了防止浮体20反弹和引起对构造50的冲击负载，通过浮体20和壳体80之间的间隙x，确保浮体20缓慢地提升，而不是快速地提升。

竖直波速高于水流过间隙x的环并填满浮体20下方的环的圆周的能力，由此浮体保持卡到壳体80的底部。

浮体20具有有助于WEC设备的安全性的另一个重要特征。浮体20不具有在水的自由表面处独立漂浮的能力，如果单独浸没在水中则浮体20下沉，即浮体的重量大于被转移液体的重量。

浮体20的该特征是非常重要的，这是因为在极端风暴的情况下，该风暴会在几个小时的时间段内逐渐发展并且可以通过气象观测来预测，正如这个领域的技术人员所知的。因此，用于WEC设备保护的安全措施是在其强度可能损害WEC设备的预期风暴的情况下采取的。浮体20的下沉的特征用作安全措施。

浮体20具有负浮力，这是因为当浮体20在水面外时，被转移液体的质量小于浮体20的总质量。

图8b示出了浮体20响应于极端风暴而下沉的情况。通过使用自动控制，发电机从发电模式切换到电机操作模式，并且通过齿轮2，设置在浮力元件52内部的附加质量块12被提升到锁定位置，在重物12提升期间，浮体20下沉并与壳体80接触，在该位置处，浮体20可以通过自动控制固定。以这种方式，整个WEC设备包括处于水下（即在水颗粒的较慢运动的区域中）的紧凑单元，以产生更少的影响结构的合力。该安全措施确保结构在极端风暴中保持不被损坏。

保持附加质量块12（图8b）的内部制动器在极端风暴终止之后释放重物，然后附加质量块12缓慢地拉出浮体20，并且水通过间隙x（图9和图9a）并且填充浮体20下方通过升高浮体而形成的空间，由此允许浮体20向上的缓慢移位并使其到达水面，即进入工作位置。为了均衡浮体的腔室中的压力，必须存在位于与壳体80的接触表面处的通道或者在浮体20的边缘之间的间隙。

气密保护位于管51的顶部上，以防止水进入管51。

在设备尺寸较小并且因此功率较低的情况下，自动控制装置位于管51的顶部上以使其易于进行维修（服务），这是因为自动控制装置相对容易出现故障。在设备尺寸较大并且功率较高的情况下，自动控制装置位于浮力元件52内部，其中通过上管51提供维修，上管51在这种情况下是气密密封的。

图10示出了根据所述发明的浮体20的示例，其包括钢框架21、位于钢框架21上的封闭浮动腔室22，由此泡沫涂层23位于浮动腔室22的外壁上。在浮体20的开采中，钢框架21部分地在用波浪实线标记的水的自由表面下方，使得由浮动腔室22和泡沫涂层23组成的浮体20的一部分在水的自由表面下方而另一部分在水的自由表面上方。在由于浮体20上的水骤降而发生波浪中断和震动负荷的情况下，泡沫涂层23分摊浮动腔室22的表面上的水的冲击，以防止浮体20的塑性变形并且显著地减小传递到球形接头32的力。

泡沫涂层23可以由复合材料形成的一个或多个层24、25组成以提供冲击力的更好的分摊，从而防止浮体20的任何损坏。层24、25的组合应该使得，首先暴露于水冲击的层24在张力下具有良好的力学性能，而更靠近浮动腔室22的壁的层25应该具有良好的弹性特征，即良好的能量耗散。

图11示出了系统在冲击负载的分摊（吸收）处的模拟响应的最终元件的力学模型。二维力学模型由粘到浮体20的浮动腔室22的外表面的泡沫涂层23组成。在这种模型的反应的模拟（计算）中，获得的结果在图12中示出，其中虚线示出了当没有泡沫涂层23的分摊时在球形接头的表面上的力，通过该球形接头获得浮体20和齿轮30之间的连接（图2），而实线示出了当存在泡沫涂层23时在球体32（图2）的表面上的反应的力。从图12所示的图形可以看出，泡沫涂层23对冲击负载的分摊具有非常大的影响，并且冲击负载可以减轻使得反应至多少10倍，从而产生能够承受海洋上的苛刻条件的更轻和更便宜的构造。

由于本领域技术人员已知船坞中的深度相对较小，因此需要找到将非常重且吃水大的大尺寸设备运输到布设位置的运输模式。出于这些原因，本发明还涉及在用于将波浪能转化成电力的设备的开采位置处布设该设备的方法。该布设方法包括组装和运输的特征阶段。尽管该设备可以通过现有技术中已知的方式安装，但是所述构造本身已经提供了新的设置模式，即，在组装和运输中的阶段，在其特征与迄今为止已知的该领域的设备的设置模式不同。

在具有刚性齿轮的系统中，必须提供在扭矩传递位置下受保护的空间，通常在发电机水平面中，支撑管53必须最小与刚性齿轮4（图2）一样长。

所有这些都需要更坚固的构造、更高的生产和运输到布设位置的成本。

图13示出了支撑结构50运输模式，其提供了到期望位置的相对便宜的运输，而无需额外的非常昂贵的大船，然后提供了设备在浅水中的正确运输。以这种方式，水力（流体静压力）用于承担大的质量，并且不需要高性能起重机来操纵该设备，由此用于将波浪能转化成电力的设备的构造很大程度地变便宜。

为了获得更便宜的构造和系统到布设位置的更便宜的运输，我们引入新的技术解决方案，其中，从滑轮6a到呈重物形式的附加质量块12的第二传动装置（图5）也是柔性传动装置（例如，链条和链轮）。附加质量块12可以由廉价的材料（例如石头、混凝土及类似物）制成，并且钩系统用于减小第二柔性传动装置4的位移。以这种方式，避免了发电机下方的应该与支撑管51相同长度的长管53。图5中所示的解决方案允许更便宜的构造，因为在组装浮力元件52之后，其易于通过使用起重机来降低并且附接到船坞码头，在船坞码头处继续对结构的其它部分的组装。

在该情况下，所述构造可在几乎每个船坞中实现，因为其不需要码头旁边的水深度大。

由于较短的行程，附加质量块12必须具有给系统提供较低重心的倍增的质量，以便在吃水相对较小的情况下提供到安装位置的稳定运输。使用增加的附加质量块12，构造的重心将更靠近水的自由表面或低于水的自由表面，这在该构造运输到锚定位置期间显著地有助于构造的稳定性。

在进行构造期间，在构造的下部（即浮力元件52）完成之后，设备设定到船坞的海中，立即放入附加质量块12，并且继续进行构造工作直至其最终形成。以这种方式进行的构造的概念是，在设备运输到期望布设位置期间，该构造可以在水面上稳定地游动。

图14示出了具有所属基部61的锚定重物67的类似横截面（也参见图15）。当航行离开船坞时，锚定基部61作为浮箱漂浮，锚定重物67在该浮箱上运输到设备的布设位置。在到达设备的布设位置之后，如果应该移除重物67，则准备海床。基于海床质量（如果它是被泥土或石头覆盖的沙地），桩体62可以被固定或者制作用于放置锚定重物67的锚定基部61的混凝土基部，使得如果必要的话，可以从海底升高重物和/或基部。锚定基部61的浸没过程以这样的方式进行，即，其在稳定位置平稳地沉到海床，这通过阀64a、64b、64c和64d以及挡板68a和68b实现。锚定基部61构造有相应的中空部，该中空部对应于落入其中并且可在其上滚动的锚定重物67的形状。锚定基部61以这样的方式构造，即在提升锚定重物67的情况下，确保平滑返回到其预期位置。图12中的尺寸a以这样的方式确定，即在极端波浪的情况下，锚定重物67永远不会完全到锚定基部61之外。

在锚定基部61和重物67被运输之后，支撑构造50和重物67通过锚定基部61上的绳索63连接。

图15示出了放置在锚定重物67和锚定基部61具有球形形状的位置处的设备的等距视图，使得在极端风暴中，当重物67从锚定基部61重新定位时，由于重物76构造成球体部段的形式，因此其自身可返回到初始位置。

用于在开采位置上布设该设备的方法还包括以下阶段：将浮力元件52组装到支撑构造50中并放置附加质量块12以及组装设备的某些部分，通过使用起重机将支撑构造50的叠置部分降低到水中以及将该叠置部分附接到船坞码头；将其余元件联接到支撑构造50直至设备的最终形成；通过水路将设备运输到布设位置，在所述布设位置处，运输的稳定性通过附加质量块12实现；将锚定重物67与锚定基部61进行水路运输使得锚定基部61作为浮箱漂浮，用于将锚定重物67运输到设备的布设位置；固定桩体62或构造用于锚定基部61混凝土基部；通过打开阀64a，64b，64c，64d并用水填充锚定基部61来降低锚定基部61；通过使用绳索63将锚定基部67与支撑构造50连接；设备的深度调节，即调节设备与海底的距离。

该方法的特征在于利用吃水低和相对便宜的拖船进行运输。

由于本说明书包含许多细节，因此不应将其解释为限制寻求保护的本发明或主题的范围，而是表示对特定于各种实施方式的特征的描述。本说明书中在特定实施方式的上下文中描述的某些特征可与另一实施方式组合应用。反之也有效的是，在一个实施方式的上下文中描述的各种特征可以单独地或以所选特征的任何适当组合应用于几个实施方式中。对于本领域技术人员来说应当理解的是，某些技术元件或组件可能不仅仅经受现有技术的变化和修改，而是它们可以由已知的技术等同物代替，而不脱离由权利要求书限定的保护范围。

Claims (20)

1.一种用于将波浪能转化成电能的设备，其中所述设备包括浮力元件（52）组成的支撑构造（50），支撑管（51）固定到所述支撑构造（50）的顶部，所述设备包括接合装置（30），所述接合装置（30）在内圆周上具有与所述支撑管（51）的外表面的滑动连接，而球体（32）在该球体的外圆周处铰接或紧密地固定到浮体（20），由此所述设备具有两个传动装置，第一柔性传动装置（1）用于将所述浮体（20）连接到第二传动装置，第一柔性传动装置（1）包括第一柔性元件以及第一和第二滑轮（6b，6c）和中间滑轮（6a），由此第一和第二滑轮（6b，6c）通过其在所述浮体（20）的工作行程的端点上方的支撑件固定到所述支撑管（51），使得第一和第二滑轮（6b，6c）能旋转并且中间滑轮（6a）通过其支撑件固定到所述第二传动装置，所述第二传动装置将第一柔性传动装置（1）连接到具有附加质量块（12）的发电机，所述附加质量块（12）以滑动方式与所述支撑构造（50）的下管（53）连接，同时第一柔性传动装置（1）的第一柔性元件在一端处联接到所述浮体（20），然后在第一滑轮（6b）以及所述支撑管（51）内的所述中间滑轮（6a）以及第二滑轮（6c）上通过，并且通过另一端再次连接到所述浮体（20），或者第一柔性传动装置（1）包括一端附接到所述浮体（20）的两个相同的第一柔性元件，并且第一柔性传动装置（1）的一个第一柔性元件通过第一滑轮（6b）而第一柔性传动装置（1）的另一个第一柔性元件通过第二滑轮（6c），并且所述两个相同的第一柔性元件由另一端通过枢转地附接到所述第二传动装置的一端的杆相互连接，并且第一柔性传动装置（1）和所述浮体（20）的连接点以及第一和第二滑轮（6b，6c）相互相对，并且在所述浮力元件（52）的端部处，壳体（80）定位在支撑管（51）上侧，并且所述设备包括用于制动所述浮体（20）的包括第二柔性元件（71）的装置，所述第二柔性元件（71）在一端处附接到所述浮力元件（52）而在另一端处附接到所述浮体（20），由此所述支撑构造（50）通过绳索（63）联接到能定位在锚定基部（61）中的轴承中的锚定重物（67）。

2.根据权利要求1所述的设备，其中，用于平衡所述浮体（20）的质量并且调节所述浮体（20）在波浪上的运动的所述附加质量块（12）在下侧处附接到所述第二传动装置。

3.根据前述权利要求中的任一项所述的设备，其中，所述第二柔性元件（71）由单体件制成或由合成材料复合而成，所述第二柔性元件（71）一端附接到所述浮体（20）的底部，并且另一端固定到所述浮力元件（52）。

4.根据权利要求1或2所述的设备，其中，所述锚定重物（67）由混凝土制成并且放置在所述锚定基部（61）中，所述锚定基部（61）以中空构造的形式制成，当所述锚定基部（61）位于锚固位置，即所述设备的开采位置时，所述中空构造填充有水。

5.根据权利要求1或2所述的设备，其中，所述浮体（20）包括钢框架（21）并且具有涂覆有泡沫涂层（23）的封闭腔室（22）。

6.根据权利要求5所述的设备，其中，所述泡沫涂层（23）包括外层（24）和内层（25），所述外层（24）由对拉伸应力具有高阻力的材料制成，所述内层（25）由吸收冲击良好的材料制成。

7.根据权利要求1或2所述的设备，其中，所述浮体（20）被构造为自浸没浮体，因此其质量大于提供其浮力的体积所对应的被排开流体的质量。

8.根据权利要求1或2所述的设备，其中，所述附加质量块（12）保持所述浮体（20）在水面上并且调节所述浮体（20）的吃水深度。

9.根据权利要求1或2所述的设备，其中，所述第二传动装置在一端处连接第一柔性传动装置（1），在另一端处连接电能发电机，所述第二传动装置由位于附接到所述支撑构造（50）的所述下管（53）中的元件构造成。

10.根据权利要求1或2所述的设备，其中，在一侧连接到第一柔性传动装置（1）并且在另一侧连接到所述发电机的所述第二传动装置包括传动装置的刚性元件，即所述第二传动装置包括可运动磁体（8）和固定不可动的线圈（10），并且所述第二传动装置定位在附接到所述支撑构造（50）的所述下管（53）中。

11.根据权利要求1或2所述的设备，其中，所述第二传动装置在一侧连接到第一柔性传动装置（1），并且在另一侧连接到所述发电机，所述第二传动装置包括刚性元件，所述刚性元件是包括顶推螺杆（9）和带有循环滚珠的螺母（7）的传动装置的类型，并且所述第二传动装置定位在所述下管（53）中并且附接到所述支撑构造（50）。

12.根据权利要求11所述的设备，其中，所述螺母（7）直接转动发电机转子。

13.根据权利要求1或2所述的设备，其中，所述第二传动装置在一侧连接到第一柔性传动装置（1），并且在另一侧连接到所述发电机，所述第二传动装置包括第三柔性元件，所述第三柔性元件包括放置在所述支撑构造（50）的所述浮力元件（52）中的链条（3）和链轮（5）。

14.根据权利要求13所述的设备，其中，所述第二传动装置与所述附加质量块（12）联接，所述第三柔性元件连接到所述附加质量块（12）。

15.根据权利要求1或2所述的设备，其中，所述设备包括用于激活所述设备的安全措施的自动系统。

16.根据权利要求15所述的设备，其中，当所述安全措施被激活时，所述自动系统操作所述发电机转换为电机模式，并且将所述附加质量块（12）升高到上端位置处将其固定，并且因此导致所述浮体（20）的自浸没，所述浮体进入所述壳体（80）并保持在该处直到所述安全措施的去激活为止。

17.根据权利要求1或2所述的设备，其中，第二柔性元件（71）确保所述浮体（20）不会撞击所述支撑管（51）的上部。

18.根据权利要求1或2所述的设备，其中，所述浮体（80）与所述壳体（80）重叠并且使所述浮体（20）缓慢向下，且通过流体动力学阻力防止所述浮体（20）撞击所述支撑构造（50）。

19.一种用于在开采位置上布设用于将波浪能转化成电能的根据前述权利要求中的任一项所述的设备的方法，其中，所述方法包括以下阶段：将浮力元件（52）组装到所述支撑构造（50）中并且放置所述附加质量块（12），通过使用起重机将所述支撑构造（50）的叠置部分降低到水中并将所述叠置部分附接到船坞码头；将其余元件联接到所述支撑构造（50）直至所述设备的最终形成；通过水路将所述设备运输到布设位置，在所述布设位置处，所述运输的稳定性通过倍增的附加质量块（12）实现；水路运输具有所述锚定基部（61）的所述锚定重物（67），使得所述锚定基部（61）作为浮箱漂浮，所述浮箱用于将所述锚定重物（67）运输到所述设备的所述布设位置；固定桩体（62）或构造用于所述锚定基部（61）的混凝土基部；通过打开阀（64a，64b，64c，64d）并用水填充所述锚定基部（61）来降低所述锚定基部（61）；通过使用绳索（63）连接所述锚定基部（67）与所述支撑构造（50）；所述设备的深度调节，即调节所述设备与海底的距离。

20.一种根据权利要求19所述的方法，其中，实现所述方法的设备包括：根据权利要求12或13所述的设备，并且其中，运输阶段被执行为具有低吃水的运输。

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